ALMA odkrywa trio niemowlęcych planet wokół nowo narodzonej gwiazdy
Dodane przez jacek dnia 13/06/2018 18:52:34
Nowatorska technika odkrywania najmłodszych planet w naszej galaktyce

ESO ALMA Discovers Trio of Infant Planets
ALMA has uncovered convincing evidence that three young planets are in orbit around the infant star HD 163296. Using a novel planet-finding technique, astronomers have identified three discrete disturbances in the young star’s gas-filled disc: the strongest evidence yet that newly formed planets are in orbit there. These are considered the first planets discovered with ALMA.
This image shows part of the ALMA data set at one wavelength and reveals a clear “kink” in the material, which indicates unambiguously the presence of one of the planets.
Źródło:ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); Pinte et al.
Dwa niezależnie zespoły astronomów wykorzystały ALMA do otrzymania przekonującego dowodu, że trzy młode planet znajdują się na orbicie wokół niemowlęcej gwiazdy HD 163296. Dzięki nowatorskiej technice poszukiwania planet astronomowie zidentyfikowali trzy zaburzenia w wypełnionym gazem dysku wokół młodej gwiazdy: najsilniejszy jak dotąd dowód na to, że krążą tam nowo utworzone planety. Są to pierwsze planety odkryte przez ALMA.
Treść rozszerzona
Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA - Link) zmieniła nasze zrozumienie dysków protoplanetarnych — wypełnionych gazem i pyłem fabryk planet, które otaczają gwiazdy. Pierścienie i przerwy w tego typu dyskach dają intrygujące, pośrednie dowody na występowanie protoplanet [1]. Jednak za te struktury mogą być odpowiedzialne również inne zjawiska.

Ostatnio, dzięki nowatorskiej technice poszukiwań planet, która identyfikuje nietypowe wzorce w przepływie gazu wewnątrz dysku wokół młodej gwiazdy, w którym powstają planety, dwa zespoły astronomów niezależnie potwierdziły oznaki występowania nowo uformowanych planet okrążających niemowlęca gwiazdę [2].

„Pomiary przepływu gazu w dysku protoplanetarnym dają nam znacznie większą pewność, że wokół młodej gwiazdy istnieją planety” powiedział Christophe Pinte z Monash University w Australii i z Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (Université de Grenoble-Alpes / CNRS) we Francji, główny autor jednej z publikacji. „Technika ta oferuje nowy, obiecujący kierunek w zrozumieniu w jaki sposób formują się systemy planetarne.”

W swoich niezależnych odkryciach każdy z zespołów analizował obserwacje ALMA dotyczące HD 163296, młodej gwiazdy około 330 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Strzelca [3]. Gwiazda ta ma około dwukrotną masę Słońca, ale jej wiek to tylko cztery miliony lat – zaledwie jedna tysięczna wieku Słońca.

„Obserwowaliśmy lokalny ruch gazu w małych skalach w dysku protoplanetarnym gwiazdy. To całkowicie nowe podejście może ujawnić jedne z najmłodszych planet z naszej galaktyce, a wszystko to dzięki obrazom z ALMA w dużej rozdzielczości” powiedział Richard Teague, astronom z University of Michigan, główny autor drugiej publikacji.

ESO Planets in the making
Our Solar System formed out of a huge, primordial cloud of gas and dust. The vast majority of that cloud formed the Sun, while the leftover disc of rotating material around it eventually coalesced into the orbiting planets we know — and live on — today.
Astronomers can observe similar processes happening around other stars in the cosmos. This splendid Picture of the Week shows a disc of rotating, leftover material surrounding the young star HD 163296. Using the observing power of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile, astronomers have been able to discern specific features in the disc, including concentric rings of material surrounding the central star. They were even able to use ALMA to obtain high-resolution measurements of the gas and dust constituents of the disc. With these data they could infer key details of the formation history of this young stellar system.
The three gaps between the rings are likely due to a depletion of dust and in the middle and outer gaps astronomers also found a lower level of gas. The depletion of both dust and gas suggests the presence of newly formed planets, each around the mass of Saturn, carving out these gaps on their brand new orbits.
Źródło:ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); A. Isella; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
Zamiast skupiać się na pyle wewnątrz dysku, który został wyraźnie zobrazowany we wczezśniejszych obseracjach ALMA - Link, astronomowie zbadali gaz tlenku węgla (CO) rozmieszczony w dysku. Molekuły CO emitują bardzo specyficzne światło na falach milimetrowych, które ALMA może szczegółowo obserwować. Subtelne zmiany w długości fali tego światła, spowodowane efektem Dopplera, ujawniają ruchy gazu w dysku.

Zespół, którym kierował Teague, zidentyfikował dwie planet położone około 12 miliard i 21 miliardów kilometrów od gwiazdy. Z kolei druga grupa, która kierował Pinte, zidentyfikowała planetę około 39 miliardów kilometrów od gwiazdy [4].

Oba zespoły analizowały zmiany ta samą techniką, która poszukuje anomalii w przepływie gazu – których dowodem są przesunięcia długości fali emisji CO – wskazujące, że gaz oddziałuje z masywnych obiektem [5].

Technika użyta przez Teague, która pokazała, że uśrednione zmiany w przepływie gazu są na poziomie kilku procent, ujawniła wpływ kilku planet na ruchy gazu w pobliżu gwiazdy. Z kolei technika, którą posłużyć się Pinte, bardziej bezpośrednio mierzący przepływ gazu, jest lepiej dopasowana do badania zewnętrznych partii dysku. Pozwoliła autorom na dokładniejsze zlokalizowanie trzeciej planety, ale jest możliwa do wykorzystania tylko w przypadku większych odchyłem w przepływie, na poziomie powyżej 10%.

W obu przypadkach badacze zidentyfikowali obszary, w których przepływ gazu nie zgadzał się z otoczeniem – trochę jak wiry wokół kamienia w rzece. Dzięki dokładnej analizie ruchu mogli wyraźnie zobaczyć wpływ ciał planetarnych podobnych w masie do Jowisza.

Nowa technika pozwala astronomom na precyzyjniejsze szacowanie mas protoplanetarnych i z mniejszym prawdopodobieństwem daje wyniki fałszywie sugerujące istnienie ciał. „Wprowadziliśmy ALMA na pole wykrywania planet” powiedział współautor Ted Bergin z University of Michigan.

Obie grupy badawcze będą kontynuować doprecyzowywanie metody i zastosują ja do innych dysków. Naukowcy maja nadzieję lepiej zrozumieć w jaki sposób powstają atmosfery planet i które pierwiastki oraz cząsteczki są dostarczane do planet w okresie ich narodzin.

Uwagi
[1] W ciągu ostatnich dwóch dekad odkryto tysiące egzoplanet, ale wykrywanie protoplanet pozostaje w czołówce naukowych dociekań i jak dotąd brakowało jednoznacznych detekcji. Techniki obecnie używane do poszukiwania egzoplanet w kompletnie uformowanych systemach planetarnych – takie jak pomiary ruchów gwiazdy lub osłabienia światła na skutek tranzytu planet – nie nadają się do wykrywania protoplanet.

[2] W przypadku braku planet, ruch gazu wokół gwiazdy ma bardzo prosty, przewidywalny wzór (rotacja keplerowska), w którym prawie niemożliwe są zmiany zarówno spójne, jak i lokalne , więc jedynie występowanie względnie masywnego obiekty może powodować tego typu zaburzenia.

[3] Niesamowite obrazy ALMA dla HD 163296 i innych podobnych systemów ukazały intrygujące wzory koncentrycznych pierścieni i przerw w dyskach protoplanetarnych. Przerwy te mogą być dowodem, że protoplanety wymiatają gaz i pył ze swoich orbit, pochłaniając jego część do swoich atmosfer. Wcześniejsze badania tego samego dysku wokół gwiazdy pokazały, że przerwy w gazie i pyle nakładają się, co sugeruje, że uformowały się co najmniej dwie planety. Jednak te wstępne obserwacje dostarczyły jedynie poszlak i nie mogły być wykorzystane do dokładnego oszacowania mas planet.

[4] Co odpowiada 80, 140 i 260 odległościom od Ziemi do Słońca.

[5] Technika ta jest podobna do tej, która doprowadziła do odkrycia Neptuna w XIX wieku. W jego przypadku anomalie w ruchu Urana były śledzone jako grawitacyjny efekt od nieznanego ciała, która następnie odkryto wizualnie w 1846 roku i okazało się ósmą planetą Układu Słonecznego.

Więcej informacji
Wyniki badań zaprezentowano w dwóch artykułach w tym samym wydaniu Astrophysical Journal Letters. Pierwszy jest zatytułowany “Kinematic evidence for an embedded protoplanet in a circumstellar disc”, autorzy: C. Pinte et al., a drugi nosi tytuł “A Kinematic Detection of Two Unseen Jupiter Mass Embedded Protoplanets”, autorzy: R. Teague et al.

Skład pierwszego zespołu badawczego: C. Pinte (Monash University, Clayton, Victoria, Australia; Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francja), D. J. Price (Monash University, Clayton, Victoria, Australia), F. Ménard (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francja), G. Duchêne (University of California, Berkeley California, USA; Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francja), W.R.F. Dent (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile), T. Hill (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile), I. de Gregorio-Monsalvo (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile), A. Hales (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile; National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Virginia, USA) oraz D. Mentiplay (Monash University, Clayton, Victoria, Australia).

Skład drugiego zespołu badawczego: Richard D. Teague (University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA), Jaehan Bae (Department of Terrestrial Magnetism, Carnegie Institution for Science, Washington, DC, USA), Edwin A. Bergin (University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA), Tilman Birnstiel (University Observatory, Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Germany) oraz Daniel Foreman- Mackey (Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, New York, USA).

Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) jest międzynarodowym kompleksem badawczym w ramach partnerstwa pomiędzy ESO, U.S. National Science Foundation (NSF) oraz National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan, we współpracy z Chile. ALMA jest finansowana przez ESO w imieniu Krajów Członkowskich, przez NSF we współpracy z National Research Council of Canada (NRC) i National Science Council of Taiwan (NSC) oraz przez NINS we współpracy z Academia Sinica (AS) na Tajwanie i Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Budowa i zarządzanie ALMA są kierowane przez ESO w imieniu Krajów Członkowskich, przez National Radio Astronomy Observatory (NRAO), zarządzane przez Associated Universities, Inc. (AUI), w imieniu Ameryki Północnej oraz przez National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) w imieniu Azji Wschodniej. Joint ALMA Observatory (JAO) umożliwia zunifikowane kierowanie i zarządzanie budową, testowaniem i działaniem ALMA.

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Ma 15 krajów członkowskich: Austria, Belgia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy, dodatkowo Chile jest kraje gospodarzem, a Australia strategicznym partnerem. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop ELT (Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop), który stanie się „największym okiem świata na niebo”.




Przeczytaj więcej:

Krzysztof Czart
Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska